Vrt, ktery objevil nejvetsi ceske lozisko uranu EarthCache

[CZ] Naše earthcache je na místě bývalého geologického vrtu HJ-1, kterým bylo v roce 1962 objeveno v hloubce dvě stě metrů největší české ložisko uranu.

Nutné vybavení: čti podmínky odlovu.

[EN] Our earth cache is located at the former geological borehole HJ-1, which was drilled in 1962 and led to the discovery of the largest Czech uranium deposit.

Special tools required, see logging requirements.

Podmínky odlovu / Log Requirements

[CZ]

Pro odlov je potřeba mít s sebou vybavení pro měření nadmořské výšky, a pro určení průměru ocelové trubky.

1. Jakou horninu byste očekávali pod tenkou vrstvou hlíny kolem zlikvidovaného vrtu HJ-1 podle různých výchozů v blízkém okolí?
   1. čedič
   2. jíl
   3. písek
2. V jaké nadmořské výšce leží vrstvy, kde byla naměřena nejvyšší hodnota gama záření?
3. Jaký vnější průměr měly ve vrtu HJ-1 ocelové pažnice ochraňující křídové vodonosné vrstvy, když vnější průměr u horního okraje nyní viditelné ocelové trubky je o 2 cm menší?
4. Kolik neutronů je v jádře izotopu uranu ²³⁵U ?
5. Jmenujte alespoň dvě další české lokality, ve kterých se těžil nebo těží uran.
6. Jak se označuje základní typ hornin, v nichž se vytvořila severočeská uranová ložiska?
   1. vyvřeliny
   2. usazené horniny
   3. přeměněné horniny
7. (nepovinné) Do logu přiložte foto vás u vrtu
   
   Odpovědi na otázky nám zasílejte pomocí e-mailu v profilu. Logovat můžete následně ihned - pokud něco nebude v pořádku, kontaktujeme vás.

[EN]

1. Which type of rock would you expect under a thin layer of soil around the former borehole HJ-1, according to the various outcrops in the vicinity?
   1. basalt
   2. clay
   3. sand
2. What is the height above sea level of the layers where the highest gamma radiation was measured?
3. What was the outer diameter of the borehole HJ-1 steel casing protecting the Cretaceous aquifers, when the outer diameter at the upper edge of the now visible steel pipe is 2 cm smaller?
4. How many neutrons are there in the nucleus of uranium isotope ²³⁵U ?
5. List at least two other Czech sites where uranium is or has been mined.
6. Which basic type of rock were the North-bohemian uranium deposits created in?
   1. volcanic
   2. sedimentary
   3. metamorphic
7. (optional) In the log, attach a photo of you with the borehole without revealing the answer to the previous question.
   
   Send the answers to the questions by e-mail in our profile. You may then log immediately - we will contact you if some answers are incorrect.

[CZ]

Vrt HJ-1

Naše earthcache je na místě bývalého geologického vrtu HJ-1, kterým bylo v roce 1962 objeveno v hloubce dvě stě metrů největší české ložisko uranu. Jako u mnoha jiných technických památek, kde kromě obdivu k šikovnosti tvůrců přicházejí na mysl i negativní souvislosti, je tomu tak i u této virtuální technické památky. O přínosech a problémech těžby uranu se stále diskutuje. Nejde jen o střet ekologie s průmyslem, v naší zemi k tomu přistupuje i připomínka útrap politických vězňů v uranových dolech v padesátých letech minulého století a až do roku 1989 využití vytěžené rudy podle rozhodnutí přijímaných v Moskvě.

Stejně tak následná výroba energie z uranu má svoje plusy a mínusy. Na rozdíl od spalování fosilních paliv nevzniká v jaderných elektrárnách oxid uhličitý se svým skleníkovým účinkem, ale je tu zase obava z nehod, k jakým v minulosti došlo v Černobylu a Fukušimě. Nehledě k různým uvedeným protikladům, Česká republika a uran mají svoji zajímavou historickou spojitost, protože v počátcích rozvoje jaderné fyziky používali někteří legendární nositelé Nobelových cen při svých výzkumech uranovou rudu z Jáchymova (německy Joachimsthal), do první světové války jediného známého zdroje rádia na světě.

Část autorů earthcache u vrtu HJ-1 v roce 2013. Pomocná ocelová pažnice byla ponechána nad zatamponovaným vrtem po likvidačních pracích v roce 2006 jako malá připomínka.

Jak to často bývá i u jiných nálezů, náhoda pomohla také při objevení severočeského ložiska uranu. Na velkém území nad písčitojílovitými sedimenty druhohorního křídového stáří byla radiometrickým průzkumem na povrchu terénu zjišťována jen zcela minimální radiace, menší než kolik činí průměrná úroveň záření gama v přírodě. Nikdo by tu nečekal žádné ložisko uranu. Nic takového nenaznačovaly ani ostatní geologické souvislosti. Průzkumný geologický vrt HJ-1 (Hamr na Jezeře č. 1) byl odvrtán ke zcela jinému účelu. Projektu vrtu předcházelo letecké geofyzikální měření, při kterém byla u kopce Děvín nedaleko Hamru zjištěna rozsáhlá anomálie magnetického pole. Geologové podle tohoto měření předpokládali možnost existence ložiska železné rudy. Ložisko mělo být ve starých metamorfovaných horninách hluboko pod mladšími druhohorními sedimenty, které tu sahají do dvěstěmetrové hloubky. Vrt byl hluboký přes osm set metrů. Při zkoumání vrtného jádra a základních prvotně měřených geofyzikálních křivek vrstvy obsahující uran unikly pozornosti.

Zanedlouho po odvrtání prováděli v tomto vrtu pracovníci Československého uranového průmyslu také kontrolní měření radiace. Ve dvou kontrastních vrstvách v hloubce 201 a 203 m dosahovala úroveň gama záření hodnot až 770 mikrorentgenů za hodinu. To odpovídá v dnes používaných jednotkách hodnotě příkonu fotonového dávkového ekvivalentu 7,7 µSv/hod (mikrosievert za hodinu). Přírodní záření gama se pohybuje u nás na zemském povrchu v rozpětí 0,1 až 0,2 µSv/hod, ale například na palubě letadla ve výšce 10 km dosahuje celková radiace všech částic kosmického záření obvykle hodnot 5 až 10 µSv/hod. Z toho je patrné, že záření gama přírodní uranové rudy v sedimentárních vrstvách severočeského ložiska svými účinky nevybočuje z hodnot ionizujícího záření, s jakými se člověk může setkávat poměrně běžně i u zcela jiných zdrojů.

Kopie gama karotážní křivky ve vrtu HJ-1 z 22.11.1962 (pro jednotku expozičního příkonu gama záření 1 µRtg/hod se pracovně používalo označení γ)

Vrt HJ-1 se stal počátečním bodem speciálního souřadného systému pro síť stovek následně odvrtávaných průzkumných vrtů, jimiž pak byla přesně vymapována uranová ložiska Hamr a Stráž. V roce 2006, již v době ukončení rozsáhlé těžby uranu na obou ložiscích, byl vrt zlikvidován. Těleso vrtu bylo vyplněno betonem, aby jím nemohly komunikovat podzemní zásobníky vody s různou výtlačnou úrovní. Některé z vrtů původní průzkumné sítě je dodnes možné vidět ve funkční podobě, protože slouží stále jako hydrogeologické pozorovací vrty. Poznají se podle názvu odvozeného ze speciálních souřadnic vůči vrtu HJ-1 ve tvaru XXXYYY. Vrtu HJ-1 by podle tohoto označovacího systému příslušelo jméno 000000.

Prameny:

1. Drbohlavová J. (1966): Ověření magnetické anomálie v podloží křídy v Hamru v Podještědí. Zpráva o geologickém výzkumu (Ústřední ústav geologický), 1965, Praha.
2. Hejnic O. (2012): 50. výročí objevení uranového zrudnění v Hamru na Jezeře, Občasník DIAMO, číslo 12, 2012, Stráž pod Ralskem

Uran v historii jaderné fyziky

Wilhelm Röntgen objevil v roce 1895 při zkoumání výbojky neviditelné pronikavé záření, pomocí nějž lze na fotografickou desku zachytit například tvar kostí v ruce. Tato uměle vytvořená neviditelná radiace ještě s uranem ani s radioaktivitou přímo nesouvisela, ale už o rok později Henri Becquerel při zkoumání fluorescence uranových solí objevil přirozenou neviditelnou radiaci látky, neboli její radioaktivitu, podobnou té, kterou Röntgen vytvářel výbojkami pomocí elektrického proudu.

Marie Curie-Sklodowská v roce 1898 při výzkumu radioaktivity jáchymovské uranové rudy navrhla vysvětlení podstaty radioaktivity spočívající v tom, že neviditelné paprsky vznikají při spontánních změnách atomů radioaktivních prvků. V uranové rudě objevila také dosud neznámé prvky rádium a polónium, které se i přes své nepatrné hmotnostní zastoupení v přírodní uranové rudě podílejí na celkovém záření mnohem více než samotný uran.

Ozařování zkoumané látky paprsky z rádia nebo polónia umožnilo pozorovat účinky různých druhů těchto paprsků na hmotu. Objevila se dříve nemyslitelná možnost vzniku uměle připravených jiných prvků. Ernest Rutherford v roce 1919 pomocí alfa částic z radonu (rozpadového produktu rádia) poprvé přeměnil jeden prvek na jiný – dusík na kyslík. Dva odlišné druhy paprsků pojmenoval názvy alfa a beta, později k nim přibyly i paprsky gama. James Chadwick v roce 1932 při bombardování berýlia alfa částicemi z polónia objevil těžké neutrální částice neutrony, vyrážené alfa částicemi z jader berýlia. Něco na způsob neutronů již předtím předvídal jeho učitel Ernest Rutherford jako nezbytný tmel, držící pohromadě jádro atomu obsahující kladně nabité vzájemně se odpuzující protony.

Nejznámější fyzik minulého století Albert Einstein se při svých nejdůležitějších objevech sice uranu ani rádiu nevěnoval, ale sehrál důležitou roli při rozhodování USA o zahájení rozsáhlého výzkumu uranu pro vojenské účely. Jeho teorie relativity je na první pohled užitečná především pro astronomii, nicméně Einsteinova slavná ekvivalence hmoty a energie se brzy ukázala jako zásadní i při výzkumech souvisejících přímo s uranem.

Již v období 1932 až 1935, tedy před objevem štěpení uranu, nezávisle na sobě tři lidé různým způsobem zmínili podobnou úvahu spočívající v zásadě v tom, že pokud neutron způsobí po pohlcení jádrem nějakého prvku jadernou přeměnu s výdejem energie a s emisí více jak jednoho neutronu, je tu možnost lavinovitě narůstající reakce s důsledkem silného výbuchu. Byli to Fritz Houtermans, Leo Szilard a Frederic Joliot- Curie.

Během pokračujícího výzkumu představovalo rádium a různé urychlovače nabitých částic (eventuelně v kombinaci s berýliem) hlavní zdroje záření, kterému vědci systematicky vystavovali postupně téměř všechny prvky periodické tabulky. Enrico Fermi v roce 1934 zjistil, že neutrony indukují mnohem větší umělou radioaktivitu ozařované látky, pokud předtím projdou vrstvou parafínu nebo vody, a vysvětlil to jejich zpomalením při srážkách s jádry atomů vodíku a následně větší pravděpodobností zachycení neutronu v jádře ostřelovaného prvku, pokud je neutron zpomalen.

Od objevení neutronu Leo Szilard už řetězové i lavinovitě explozivní reakce promýšlel, a mezi několika vytipovanými prvky vhodnými pro daný účel měl i uran. Věděl o pokročilém jaderném bádání v Německu a o narůstajícím reálném nebezpečí nacismu. V roce 1936 se kvůli tomu obrátil na Britskou admiralitu s žádostí o podporu tajného vývoje nukleárních výbušnin, tam tomu ale v té době ještě nepřikládali význam. V roce 1938 v Německu přišel radiochemik Otto Hahn na to, že při ozařování pomalými neutrony se může uran jejich účinkem nejspíš rozdělit na více lehkých prvků, protože v ozařovaném uranu našel velmi přesnou radiochemickou analýzou bárium. Začátkem roku 1939 jeho někdejší kolegyně Lise Meitnerová a její synovec Otto R. Frisch, kteří krátce předtím museli emigrovat z nacistického Německa, dali tomuto pozorování správný fyzikální výklad: šlo o rozštěpení jádra uranu. Případný vojenský význam si ještě neuvědomovali a svoje objevy publikovali ve světově sledovaných vědeckých časopisech. Teoreticky se při tomto štěpení uranu mělo uvolňovat překvapivě velké množství energie, a předvídavější vědci, jako byl Leo Szilard, s obavami v laboratořích ověřovali, zda se při této reakci budou uvolňovat další neutrony na odstartování laviny.

Brzy se potvrdilo, že při rozštěpení jádra uranu ²³⁵U, k jehož vyvolání stačí pohlcení jednoho neutronu, se uvolňují dva až tři neutrony, takže by bylo možné vyvolat lavinovitě se zvětšující řetězovou štěpnou reakci s uvolněním obrovského množství energie za krátký okamžik. Leo Szilard pomocí podpisu svého slavnějšího přítele Alberta Einsteina pod vysvětlujícím dopisem přiměl amerického prezidenta Roosevelta, aby USA zahájily vývoj atomových zbraní, protože byla nemyslitelná představa, že by se k nim Hitler dostal dříve.

Výzkum a výroba prvních atomových zbraní ve Spojených státech vyžadovaly až překvapivě mohutné zapojení průmyslu a zaměstnávaly nakonec až kolem 130 tisíc lidí. Ačkoliv Německo mělo před válkou ve výzkumu uranu náskok, následkem rozsáhlého spojeneckého bombardování během války už nedokázalo se svým oslabeným průmyslem ve vývoji dostatečně rychle pokračovat a na konci války mělo pouze jeden experimentální těžkovodní reaktor s nekompletní náplní přírodního uranu.

Fyzikální separace štěpného izotopu ²³⁵U z přírodní uranové směsi pro výrobu bomby byla nesmírně pracná a nákladná, ale ukázalo se, že v jaderných reaktorech naplněných přírodním uranem vznikal během pomalu probíhajícího řízeného řetězového štěpení uranu mimo jiné také izotop plutonia ²³⁹Pu, štěpný podobně jako uran ²³⁵U, který se dal v množství potřebném pro výrobu nukleárních zbraní získávat chemickou separací mnohem snáze.

Od poloviny minulého století se světové velmoci začaly vyzbrojovat termonukleárními zbraněmi využívajícími slučování lehkých prvků, kde štěpné izotopy uranu nebo plutonia fungují jenom jako roznětka, a uvědomily si, že uran bude mít daleko větší strategický význam jako palivo v jaderných elektrárnách, než jako materiál na výrobu zbraní. Hrůzostrašnost zcela absurdně silných termonukleárních bomb, protesty světové veřejnosti a hlavně astronomické náklady na závody ve zbrojení přiměly politiky k tomu, že se začalo s postupným odzbrojováním, ale konec konců jednou se třeba taková obrovská výbušná síla bude lidstvu ještě k něčemu užitečnému hodit, například k změně dráhy přibližujícího se asteroidu.

Poměrně velkého využití se dočkal ochuzený uran, původně odpad obohacovacího procesu. V něm zbývá vedle hlavního neštěpného izotopu ²³⁸U jenom prakticky nepoužitelný zbytkový obsah izotopu ²³⁵U. Protože kovový uran má velmi vysokou měrnou hmotnost 19 g/cm3, srovnatelnou se zlatem nebo wolframem, uplatňuje se ochuzený uran všude tam, kde se tato vlastnost hodí. Vyrábějí se z něj hmotová stínění proti průchodu rentgenových nebo gama paprsků, protipancéřové hlavice střel nebo vyvažovací závaží tam, kde by o polovinu lehčí olovo při stejné hmotnosti zabíralo moc místa.

Kde se vzal v přírodě radioaktivní uran?

My sami i všechno kolem nás pochází z popela dávných hvězd. Ve hvězdách nejprve probíhá termonukleární slučování lehkých prvků, ale jak lehké prvky vyhořívají, začnou se postupně za různých bouřlivých procesů, jako jsou gravitační kolapsy, vzněcovat reakce, při kterých se syntetizují ve hvězdě stále těžší prvky. Z toho, že se v naší sluneční soustavě vyskytují i ty nejtěžší prvky periodické tabulky, lze vyvodit, že nejsme z popela lecjakých malých hvězdiček, schopných syntetizovat nanejvýš kyslík, ale že v naší části galaxie před mnoha miliardami let ještě před vznikem sluneční soustavy pravděpodobně explodovala velká hvězda jako supernova. V mračnu ihned po explozi byly téměř všechny prvky periodické tabulky i nespočet jejich nestabilních radioaktivních izotopů. Většina z nich měla velmi krátké poločasy rozpadu a brzo se přeměnila na stabilní prvky.

Dodnes se z té doby dochovala v měřitelném množství jen malá skupina radioaktivních izotopů s extrémně dlouhými poločasy rozpadu. V přírodě se setkáváme běžně s radioaktivním izotopem draslíku 40K, který má poločas rozpadu asi 1,3 miliardy let, s uranem, jehož hlavní izotop ²³⁸U má poločas rozpadu čtyři a půl miliardy let a vedlejší štěpný izotop ²³⁵U poločas rozpadu 700 milionů let, a konečně s thoriem, jehož přírodní izotop ²³²Th má poločas rozpadu dokonce čtrnáct miliard let. Pokud se setkáváme s přírodními radioaktivními izotopy prvků s krátkým poločasem rozpadu, je to možné jedině proto, že stále vznikají. Příkladem jsou prvky rádium a radon jako jedny z členů rozpadové řady uranu, nebo izotop uhlíku 14C vznikající působením kosmického záření v horních vrstvách atmosféry.

Uran je v zemské kůře v průměrné koncentraci 0,004 promile, thorium dokonce v průměrné koncentraci 0,01 promile. Protože ale jediný v přírodě se vyskytující izotop thoria s dlouhým poločasem rozpadu ²³²Th na rozdíl od izotopu uranu ²³⁵U není štěpný a tedy přímo použitelný na výrobu zbraní nebo energie, nebyl o něj v minulosti takový zájem jako o uran. Naopak, při těžbě a zpracování uranu figuruje thorium jen jako znečišťující nežádoucí příměs. Některé země ale mají thoriových rud takový dostatek, že to vedlo i k vývoji náročnějších jaderných reaktorů, ve kterých se používá štěpné palivo, které je dopředu připravované ozařováním přírodního thoria.

S přírodními radioaktivními izotopy s dlouhým poločasem rozpadu, které jsou obsažené v materiálu naší planety Země a pamatují ještě výbuchy supernov před vznikem sluneční soustavy, souvisí i další důležitá skutečnost. V širším povědomí je ustálená představa, že zemské jádro je žhavé v důsledku pohlcení obrovské kinetické energie, kterou měly asteroidy, z nichž se při jejich srážkách planeta postupně utvořila. Tok tepelné energie ze zemského nitra k povrchu je také ve středu zájmu z hlediska praktického získávání energie. Na tomto toku se ale podílejí stejnou měrou jak zbytková tepelná energie vzešlá z rychlého pohybu původních asteroidů, tak neustále probíhající pomalý radioaktivní rozpad izotopů draslíku, uranu a thoria v zemských hlubinách.

[EN]

The borehole HJ-1

Our earth cache is located at the former geological borehole HJ-1, which was drilled in 1962 and led to the discovery of the largest Czech uranium deposit. As quite common with many other technical landmarks, we can admire the skills of the authors but at the same time we should also think about the negative consequences - this virtual technical landmark is no exception. Both the benefits and the problems related to uranium mining are still being discussed. Here it's not just about the clash of ecology with the industry. In Czech Republic here another major concern is also the suffering of political prisoners in the uranium mines in the 1950’s, and also the fact that until 1989, the extracted ore was used only according to the decisions taken in Moscow.

Obviously, the production of energy from uranium has also its pros and cons. Unlike fossil fuel-based power plants, the nuclear plants don’t produce carbon dioxide which would contribute to the greenhouse effect. However, there is still the concern about possible accidents, which in the past happened in Chernobyl and Fukushima. Despite these contradictions, the Czech Republic and uranium have an interesting historical connection, because in the early days of nuclear physics, several legendary Nobel Prize laureates used the uranium ore from Jachymov (Joachimsthal) for their studies. Until the World War I this was the only known source of radium in the world.

Authors of the earthcache at the former borehole HJ-1 in 2013. The conducting steel pipe was left above the tamped borehole after its closure in 2006 as a small monument.

As it is often the case with other major findings, coincidence also played role in the discovery of the important northern Bohemian uranium deposit. Within this large territory of Cretaceous sediments, radiometric survey had detected only minimal radiation on the terrain surface, even less than the average level of gamma radiation in nature. No one would thus expect a uranium deposit here. Neither had anything of such sort been suggested by the geological context. The exploration geological borehole HJ-1 (which is abbreviation for Hamr na Jezere No. 1) was drilled for a completely different purpose. The project was preceded by airborne geophysical measurements, which identified extensive magnetic field anomaly near the hill Devin. Geologists had assumed that there would be a deposit of iron ore. This deposit should be in the old metamorphic rocks deep beneath younger Cretaceous sediments, whose thickness here is about two hundred meters. The borehole was over eight hundred meters deep. When geologists examined the drilling core and the initial basic geophysical measurements, the layers containing uranium passed unnoticed.

Soon after finishing the drilling works, also the geophysicists from Czechoslovak Uranium Industry performed a routine check of the radiation in the borehole. In two contrasting layers at a depth of 201 and 203 m, just above the base of sediments, they found the exposure rate (the level of gamma radiation) to be up to 770 micro Roentgen per hour. In the presently used units, this corresponds to the value of the photon dose equivalent rate 7.7 µSv/h (micro Sievert per hour). Note that the natural gamma radiation varies on the Earth's surface mostly in a range of 0.1 to 0.2 µSv/h, but for example, on board the aircraft at an altitude of 10 km is the total dose rate of all the particles of cosmic radiation about 5 to 10 µSv/h. Therefore it’s evident that one can quite commonly meet other sources of radiation with exposure values similar to those typical for a sedimentary uranium deposit.

A copy of the gamma log in the borehole HJ-1 from November 22nd, 1962 (letter γ was used for the unit of the exposure rate one micro Roentgen per hour)

The borehole HJ-1 became the starting point of a special coordinate system used for the network of the following hundreds of exploration boreholes, which were used for the detailed mapping of the two uranium deposits Hamr and Straz. In 2006, after the end of extensive uranium exploitation on both deposits, the borehole HJ-1 was closed. The body of the borehole was filled with concrete to avoid communication between underground reservoirs of water with different pressure levels. Some of the original boreholes from the exploration network can be still seen in working condition, because they are still being used as hydrogeological observation wells. They can be distinguished from other boreholes and wells by their names in the form XXXYYY, which are derived from the special coordinates with relation to the borehole HJ-1. The borehole HJ-1 according to this marking system would have the name 000000.

Sources:

1. Drbohlavova J. (1966): Verification of magnetic anomaly in the underlying rocks of Cretaceous formation in the Hamr v Podjestedi. Report about geological research (Leading Institute of Geology), 1965, Prague (only in Czech language)
2. Hejnic O. (2012): 50th anniversary of the discovery of uranium in the Hamr na Jezere, DIAMO s.e., Newsletter number 12, 2012, Straz pod Ralskem, Czech Republic (only in Czech language)

Uranium in the history of nuclear physics

In 1895, Wilhelm Roentgen discovered an invisible penetrating radiation when experimenting with vacuum tubes. This radiation is able for example to capture the shape of bones in a hand on the photographic plate. While this artificially created invisible radiation wasn’t directly connected with uranium or radioactivity, one year later, while examining the fluorescence of uranium salts, Henri Becquerel discovered a natural invisible radiation of the substance, i.e. its radioactivity, similar to the radiation that Roentgen created by vacuum tubes.

In 1898, Marie Sklodowska-Curie studied the radioactivity of uranium ore from the uranium deposit Joachimsthal (Jachymov, Czech Republic), and proposed an explanation of the nature of radioactivity such that the invisible rays arise from spontaneous changes of atoms of radioactive elements. She also discovered previously unknown elements radium and polonium, which - despite their insignificant weight representation in natural uranium ore - emit much stronger radiation than the uranium itself.

By exposing an investigated substance to the radiation from radium or polonium, the effects of various types of rays on matter have been observed. The previously unthinkable possibility of artificial transmutations of elements to different elements emerged. In 1919, thanks to alpha particles from radon (the decay product of radium), Ernest Rutherford transmutated one element into another for the first time - nitrogen to oxygen. He named two basic types of rays as alpha and beta, later accompanied by the third type, gamma. In 1932, James Chadwick, while bombarding beryllium by alpha particles from polonium, discovered heavy neutral particles called neutrons, which were emitted from the nuclei of beryllium by the impact of alpha particles. His teacher Ernest Rutherford had already predicted the existence of something along the line of neutrons as the essential glue holding together the nucleus of the atom, as it contains positively charged protons which are strongly mutually repelling.

Although Albert Einstein, the most famous physicist of the last century, did not involve uranium or radioactivity in his most important discoveries, he played an important role in the US decision to launch an extensive research of uranium for military purposes. His theory of relativity might seem useful just for astronomy at first glance; however, Einstein's famous equivalence of mass and energy was soon proved to be essential also for the research directly related to uranium.

In the period between years 1932 and 1935, before the fission of uranium was discovered, three researchers independently and through different ways came up with a similar idea. It was based on the hypothesis that if absorbing a neutron in some element’s nucleus could cause a nuclear conversion that emits both energy and more than one neutron, there's the possibility of a quickly growing reaction leading to a strong explosion. These three people were Fritz Houtermans, Leo Szilard and Frederic Joliot-Curie.

During the ongoing research, radium and various charged particle accelerators, eventually in combination with beryllium, were the main sources of radiation, to which scientists systematically exposed almost the whole periodic table, element by element. In 1934, Enrico Fermi discovered that the neutrons emitted from beryllium induce much larger artificial radioactivity of irradiated substance when the neutrons pass a layer of paraffin or water before reaching their target. He explained this observation as a result of neutrons being slowed down by collisions with nuclei of hydrogen atoms, thus becoming more likely to be captured in the nucleus of the element being bombarded.

Since the discovery of the neutron, Leo Szilard has been developing the idea of nuclear chain reaction, including its possible avalanche-like nature; among the few selected elements suitable for this purpose he also considered uranium. He was aware of the advanced nuclear research being done in Germany, and of the real and growing danger of Nazism. In 1936 he asked the British admiralty to support secret development of nuclear explosives, but at that time there was still no interest. In 1938, German radio chemist Otto Hahn discovered that uranium bombarded by slow neutrons could most likely split to several lighter elements, because he found a little amount of barium in irradiated uranium thanks to a very exact chemical analysis. His former colleague Lise Meitner and her nephew Otto R. Frisch, who both had already emigrated from Nazi Germany, came in 1939 with the correct physical interpretation of Hahn’s observation as the fission of the uranium nucleus. They didn’t realize the military significance of this phenomenon and openly published their findings in scientific journals available worldwide. In theory, the fission of uranium should release surprisingly large amounts of energy; some more foresighted scientists such as Leo Szilard became concerned and begun experimentally verifying whether this reaction would be releasing extra neutrons to trigger avalanche-like reaction.

Soon it was confirmed that the fission of the nucleus of the isotope ²³⁵U, which requires absorption of just one neutron, releases two or three neutrons, so it should be possible to ignite a quickly expanding nuclear chain reaction releasing huge amounts of energy during a very short moment. Leo Szilard, thanks his more famous friend Albert Einstein’s signature under the explanatory letter, forced the US president Roosevelt to launch the development of nuclear weapons, because the option of Hitler getting these weapons first was inconceivable.

The research and production of the first nuclear weapons in the United States required a surprisingly massive industrial involvement and in the end employed up to around 130 thousand people. Although Germany had been ahead in the research of uranium before the war, later during the war - due to the extensive Allied bombing - it couldn’t continue the development at sufficient pace with its weakened industry. Thus, at the end of the war, there was only one experimental heavy water reactor with incomplete filling of natural uranium in the whole Germany.

The process of physical separation of the fissile isotope ²³⁵U from natural uranium mixtures for making bombs was extremely laborious and costly, but it was found out that in active nuclear reactors filled with natural uranium, a controlled slow nuclear reaction led also to the formation of ²³⁹Pu. This plutonium isotope is fissile like ²³⁵U, but for the purpose of nuclear weapon development it can be separated from the irradiated uranium mixture much more easily through chemical procedures.

Since the middle of the last century, the world power countries began arming themselves with thermonuclear weapons based on the fusion of light elements, where fissile uranium or plutonium isotopes serve only to trigger the ignition. It was realized that uranium would have much greater strategic importance as a fuel for nuclear power plants, rather than as a material for the production of weapons. The absurd power of thermonuclear bombs, public protests all around the world and mainly the astronomical costs of the arms race prompted the politicians to begin a gradual nuclear disarmament. On the other hand, such a huge explosive power could still be useful for mankind one day, for example, to change the trajectory of an approaching asteroid.

Depleted uranium was originally just a waste of the uranium enrichment process, but later it gained relatively large use. It consists mainly of the non-fissile isotope ²³⁸U and just a practically unusable residual amount of the fissile isotope ²³⁵U. However, uranium in metallic form has a very high density of 19 g/cm3, which is comparable to gold or tungsten. For this reason depleted uranium is useful wherever this property is important. It can perfectly shield x-rays or gamma rays, is good for armor-piercing warheads and also can be used as a counterweight in applications, where there isn’t enough space for the classical heavy materials such as lead, which has relatively half the density.

Where did the natural radioactive uranium come from?

We humans and everything around us comes from the ash of ancient stars. Inside the stars, first the thermonuclear fusion of hydrogen occurs, creating heavier elements. As hydrogen burn out, its fusion is gradually replaced by the fusion of heavier elements through various turbulent processes, such as gravitational collapses. Presence of the heavier elements leads to the synthesis of even more heavy elements, and so on. Thanks to the fact that in our solar system we can encounter even the most heavy elements of the periodic table, it can be concluded that we are not made from the ash of some small stars, capable of synthesizing nothing more than oxygen. It seems likely that in our part of the Galaxy, long before the formation of the solar system a big star exploded, becoming a supernova. In the cloud that formed immediately after the explosion, there were present almost all the elements of the periodic table and countless numbers of their unstable radioactive isotopes. Most of those had however a very short half-life and soon transformed into stable elements.

Since then, to this day just a small group of radioactive isotopes with extremely long half-life had remained within our nature in measurable quantities. We naturally encounter the radioisotope of potassium 40K, which has a half-life of about 1.3 billion years, uranium, whose main isotope ²³⁸U has a half-life of 4.5 billion years and the secondary fissile isotope ²³⁵U a half-life of 700 million years, and finally thorium, whose natural isotope ²³²Th has a half-life of even 14 billion years. When we encounter natural radioactive isotopes of elements with a short half-life, it is only possible because they are still being formed. Examples include the elements radium and radon, which are members of the family of the uranium decay daughter elements, or carbon isotope 14C which is produced by the impact of cosmic rays in the upper atmosphere.

Uranium is present in the Earth's crust with an average concentration of 0.004 per mille, thorium even in the average concentration of 0.01 per mille. However, because the single isotope of thorium with long half-life found in nature is ²³²Th, which (unlike the uranium isotope ²³⁵U) is not fissile and therefore not directly applicable for the production of weapons or energy, there was not much interest about thorium in the past. On the contrary, during the mining and processing of uranium, thorium is mostly just an unwanted component. But some countries have such large thorium ore deposits that it led to the development of very advanced nuclear reactors where the natural thorium is primarily irradiated with neutrons, creating fissile fuel for further nuclear fission in the reactor.

And there is also another important fact related to the natural long-lived radioisotopes, which are contained in the material of our planet Earth and still remember the explosions of supernovas before the formation of the solar system. There is a common wide-spread notion of the Earth's core being hot as the result of absorbing enormous kinetic energy of the asteroids colliding with our planet when it was gradually formed. The flow of thermal energy from the Earth's interior to the surface is also in the center of interest from the standpoint of practical energy harvesting. In this heat flow, a similar amount of energy comes both from the residual kinetic energy of primordial asteroids and from continuous slow radioactive decay of isotopes of potassium, uranium and thorium in the depths of Earth.