thorium

Figur 1: Krystallstrukur for thorium metall for temperaturer lavere enn 1363 grad.C: Kubisk flatesentrert
Lisens: CC BY SA 3.0

Thorium er et metallisk, radioaktivt grunnstoff som hører inn under actinidene (actinoidene) i periodesystemet.

Faktaboks

uttale:
thˈorium
etymologi:

Oppkalt etter den nordiske guden Tor, guden for lyn og torden

Rent thoriummetall er sølvhvitt, relativt duktilt og kan valses til folier og trekkes til tråd. Metallet eksisterer i to allotrope former: α-thorium med kubisk flatesentrert struktur (Figur 1) og β-thorium med kubisk romsentrert struktur. Omvandlingstemperaturen er 1363 °C. Metallet er elektropositivt og reaktivt, men er relativt korrosjonsbestandig i luft ved romtemperatur på grunn av passiviserende oksidbelegg av thorium(IV)oksid, ThO2. Thorium har 32 kjente isotoper der alle er radioaktive.

Tabell 1: Kjente thorium-isotoper (per november 2019) med halveringstider og desintegrasjonsmåter
Lisens: CC BY SA 3.0
Figur 2. Desintegrasjonsserien som starter med 232-Th og ender i stabilt 208-Pb.
Lisens: CC BY SA 3.0

Kjemiske/fysiske egenskaper

  • Oppdagelsesår: 1828
  • Kjemisk kategori: Aktinoide
  • Elektronkonfigurasjon: [Rn]6d27s2
  • Fase ved normalt trykk og temperatur (STP): Fast, metallisk
  • Smeltepunkt: 2023 K (1750 °C)
  • Kokepunkt: 5061 K (4788 °C)
  • Tetthet: 11.7 g/cm3
  • Oksidasjonstall: +2, +3, +4 (mest stabil)
  • Varmekapasitet: 120 J/(kg·K)
  • Fordampningsvarme: 514 kJ/mol
  • Ionisasjonsenergi: 6.308 ± 0.003 eV
  • Atomær radius: 179.8 pm
  • Kovalent radius: 206.6 ± 6 pm
  • Ioneradius (+4): 94 pm
  • Molart volum: 19.8 cm3/mol
  • Krystallstruktur: Kubisk flatesentrert (se Figur 1)

Nukleære egenskaper

  • Atomnummer: Z = 90
  • Massetall for mest stabil isotop: A = 232 (≈100%)
  • Halveringstid (A=232): 1.40·1010 år
  • Datternuklide: 228Ra (T1/2=5.75 år)
  • Desintegrasjonsmåte: α (alfa-utsendelse, ≈100%), spontan fisjon (≈1.1·10-9%)
  • Atommasse: 232.377 u (eller amu)
  • Reaksjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σnth = 7.37 b (barn)
  • Fisjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σf,nth = 3·10-6 b
  • Auger elektroner: 44.573 keV (15.8%, sterkeste linje)
  • Isotoper: 32 kjente (per november 2019), se Tabell 1
  • Desintegrasjonsserie for A=232: Se Figur 2

Historie

Figur 3. Jens Morten Thrane Esmark som først oppdaget et mineral som skulle vise seg å inneholde thorium.
Etter skriftlig tillatelse fra Ramnes historielag.
Figur 4. Jens Esmark, ofte betegnet som Norges første geolog.
https://norsk-bergverksmuseum.no/kunnskap-til-lunsj-istidens-oppdager-jens-esmark/.
Figur 5. Jöns Jacob Berzelius som først beskrev thorium som et nytt grunnstoff.
https://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photos-j%C3%B6ns-jacob-berzelius-image20369798.

Et nytt mineral ble funnet av presten og amatørmineralogen Hans Morten Thrane Esmark (Figur 3) på Løvøya ved Brevik i 1828. Han var sønn av Bergassessor Jens Esmark (Figur 4) på Bergseminaret på Kongsberg, og han fikk tidlig stor interesse for å samle mineraler. Likevel utdannet han seg til prest og fikk prestekall til Brevik. Det gav ham imidlertid et enestående utgangspunkt for å farte rundt i skjærgården for å leite etter sjeldne mineraler. Det brune mineralet han fant på Løvøya, og som han ikke klarte å bestemme selv, forela han sin far, mineralogen og geologen, som heller ikke klarte å bestemme mineralet. Han sendte det igjen til sin venn kjemikeren Jöns Jacob Berzelius (Figur 5) i Sverige.

Berzelius isolerte et nytt oksid fra mineralet; han kalte oksidet thoria, mineralet thoritt og grunnstoffet thorium, alle etter guden Tor som «råder over torden og lyn, vind og regn, klart vær og grøde».

Berzelius fremstilte også en uren prøve av grunnstoffet ved å reagere kaliumthoriumfluorid med kaliummetall og publiserte oppdagelsen i 1829. Men det var først i 1914 at relativt rent thoriummetall (99 prosent) ble fremstilt av D. Levy i Eindhoven. Thoriums radioaktivitet ble oppdaget i 1898 av Marie Curie i Paris og uavhengig av henne av Gerhard Carl Schmidt i Erlangen.

En annen langlivet thoriumisotop som det finnes litt av i naturen som et av nedbrytningsproduktene til 238U, 230Th, har tidligere blitt gitt navnet ionium (se radioaktivitet (naturlig radioaktivitet)). Ionium ble første gang påvist i uranmineraler av den amerikanske kjemikeren B. B. Boltwood i 1907. Ionium er radioaktivt og omdannes til radium 226Ra under utsendelse av alfapartikler og gammastråling (halveringstid på 7,538·104 år).

Global forekomst

Figur 6. Registrerte forekomster av thorium globalt. Data, angitt i kilotonn, er fra IAEA (2005, første tall) og fra USGS (2011, andre tall eller manglende tall).).
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Thorium tilhører de primordiale radioaktive grunnstoffene. Det er anslått at det midlere innholdet av thorium i jordskorpen er omkring 9.7 ppm som utgjør omkring 1·10-3 vektprosent, mens tilsvarende innhold av uran er omkring 2.7 ppm.

Thorium finnes sammen med lanthanider (lanthanoider) og uran i en rekke mineraler. Mineraler med større innhold av thorium er relativt sjeldne. Bare få steder forekommer thorium i større utnyttbare mengder. Hovedråstoffet er monazittsand som inneholder 3–12 vektprosent thorium, og hovedprodusenter av dette er Australia, India, Malaysia, Brasil og USA. Av egentlige thoriummineraler kan nevnes thoritt, ThSiO4 og thorianitt (Th,U)O2.

Størrelsen på forekomstene synes noe usikker for mange land. I de seneste årene er der stor sprik i rapporterte forekomster fra ulike interesseorganisasjoner. Figur 6 gir et bilde av data som er rapportert av IAEA i 2005 og av USGS i 2011.

Thorium i Norge

Mangel på spesifikk thorium-prospektering

Figur 7. Geologisk kart over Fensfeltet
Av .

Det er ikke foretatt spesielle geologiske undersøkelser for å finne thorium i Norge bortsett fra måling av gammastråling fra helikopter over Fensfeltet som er et geologisk felt rikt på mange mineraler (se Figur 7). Kunnskap om thoriumforekomster i Norge er i hovedsak basert på kartlegging av uranforekomster på 1960-tallet og i perioden 1975-1985 (NGU) fordi der er en viss korrelasjon mellom disse grunnstoffene. Ytterligere informasjon om thorium i norske bergarter er basert på undersøkelser av sjeldne jordartsmetaller (REE) som også ofte er delvis korrelert med thoriumforekomster.

Thorium finnes flere steder i mindre mengder

Generelt kan det sies at thorium forekommer i omtrent alle mulige bergarter, men i svært variable mengder. I Oslofjordregionen finner vi thoriumanrikede granitter og granittpegmatitter i Østfold, områdene omkring Kragerø og Bamble, Nissedal og Fyresdal og Sigdal og Krødsherad. I Krekling-Hokksund-Modumområdet forekommer det relativt høye konsentrasjoner av thorium i alunskifer, men disse skiferne er mer kjent for sitt høye uraninnhold. Vest for Oslofjorden finnes thorium i syenitter og granitter av ulike typer. Lenger nord i landet er forekomster av thorium registrert i Høgtuva i Nordland og på Ytterøya i Nord-Trøndelag. Alle disse forekomstene, muligens med unntak av Seteråsen i Larvik, er trolig langt under grensene for drivverdighet.

Landets største forekomst

Figur 8. Gamma-stråling over Fensfeltet detektert med luftbåret detektor for gammastråling (mørke farger = høyere thorium konsentrasjon).
Av .
Figur 9. Typiske små forekomster av thoritt i bergarten rødberg
Av .

Landets klart største thoriumforekomst finnes i Fensfeltet (se Figur 8 som viser et kart over gammastråling detektert fta helikopter. Innenfor det hvite polygonet er gammastrålingen lav mens omkring Gruvåsen og Rundkoll er strålingen høy. Disse høye thorium-konsentrasjonene samsvarer med forekomsten av bergarten rødberg. Dette er nærmest en overflateprospektering da gammasignaler bare kan mottas fra de nærmeste 10-talls dybde-centimeter).

Der er målt thoriumkonsentrasjoner på opptil 4000 gram per tonn rødberg, men gjennomsnittskonsentrasjonen varierer mellom 872 g/tonn og 361 g/tonn i ulike områder. I ankerittkarbonatittene sentralt i området er gjennomsnittskonsentrasjonen 485 g/tonn. Det er stor usikkerhet i anslagene av hvor store thoriumressurser som finnes på Fensfeltet. Nye anslag tyder på at det er minst 56 500 tonn, men muligens finnes det 670 000 tonn eller enda mer (se senere). Forekomstene er hovedsakelig i form av små akkumulasjoner (se Figur 9) som gjør det utfordrende, og for tiden økonomisk uinteressant, med gruvedrift, oppredning og framstilling. Dersom gruvedrift skulle finne sted i området i nær framtid, vil det være for å hente ut den betydelige forekomsten av sjeldne jordarter i området. Da vil thorium kunne framstilles som et biprodukt da det allikevel må skilles fra de sjeldne jordartsmetallene.

Tidligere og nyere ressursoverslag

USGS og IAEA har tidligere listet opp Norge (Fensfeltet) som en av verdens største thoriumreserver. USGS har operert med 170 000 til 180 000 tonn, mens IAEA har operert med 132 000 tonn. Ingen har imidlertid kunnet gi noe svar på hva disse tallene er basert på. Regiongeologen har foretatt nye ressursanslag for thorium i Fensfeltet. De totale thoriumressursene er betydelige. Anslag over ressurser bare til 100 meters dybde utgjør mellom 56 500 og 133 000 tonn. Det er sannsynlig at de thoriumførende bergartene fortsetter mye lenger ned mot dypet, trolig ned til 500 meter eller enda mer. De totale thoriumressursene kan være, eller til og med overstige 670 000 tonn (se Figur 10).

Nye kjerneboringer

Figur 10. Lavt og høyt anslag av energiinnholdet i thorium-forekomstene i Fensfeltet relativt til energiinnholdet i Norges samlete olje og gass resurrser.
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Nærings- og fiskeridepartementet bevilget i 2017 midler til prøveboring på Fensfeltet. Målet var å se om de sjeldne jordartsmetallene fortsetter hele tusen meter ned i bakken. Arbeidet ble startet opp i november 2017, og ble utført av Norges Geologiske undersøkelse (NGU) i samarbeid med regiongeologen for Buskerud, Vestfold og Telemark. De nye borehullene var imidlertid ikke posisjonert innenfor det området der thoriumkonsentrasjonen er forventet å være høyest (Gruveåsen). Derfor er det ennå ingen endelig konklusjon på thoriumressursene i Fensfeltet.

Konklusjon: Energiinnholdet i thoriumressursene på Fensfeltet er trolig minst 10, muligens over 100 ganger energiinnholdet i all olje og gass på norsk sokkel, inkludert alt som er utvunnet, kjente reserver og alle antatte uoppdagete ressurser av hydrokarboner.

Kjemiske egenskaper

Thorium metall løses i rykende saltsyre og i kongevann, passiveres i konsentrert salpetersyre, og reagerer ikke med base. Det reagerer lett med ikke-metallene under oppvarming og danner en rekke intermetalliske faser med d-grunnstoffer.

I sine kjemiske forbindelser har thorium oksidasjonstallene +II, +III og +IV. Det siste er det mest stabile. De fireverdige forbindelsene er vanligvis fargeløse. Vandige løsninger av thoriumsalter gir sur reaksjon på grunn av protolyse.

Radioaktivitet

Alle thoriumisotoper er radioaktive. Naturlig forekommende thorium består nesten utelukkende av 232Th med halveringstid 1,405·1010 år. Dessuten finnes spormengder (1,34·10-8 prosent) av 228Th, som har halveringstid 1,9116 år og er i radiokjemisk likevekt med 232Th (se Figur 2). Ellers er det kjente isotoper med massetall fra 208 til 239 (se Tabell 1). Lengst levetid av disse utenom 232Th har 230Th med halveringstid 7,538·104 år.

232Th desintegrerer med alfastråling til 228Ra. Den radioaktive transformasjonen fortsetter gjennom ni ledd med i alt seks alfa- og fire betadesintegrasjoner og ender i den stabile 208Pb. Kjeden av nuklider fra 232Th til 208Pb kalles thoriumserien eller 4n-serien, siden alle nuklidene har nukleontall (massetall) delelige med 4.

Fremstilling

Monazittsand oppvarmes med konsentrert svovelsyre, som omdanner innholdet av thorium og lanthanider til sulfater. Disse løses i vann, og thorium felles som difosfat. Ved videre rensing blir fosfat filtrert fra, løst i saltsyre og igjen felt ut. Til slutt felles thorium som oksalat, som ved etterfølgende gløding omdannes til oksid. Ved nyere metoder oppnås renere thoriumprodukter ved selektiv ekstraksjon med tributylfosfat, (C4H9)3PO4 (thorexprosessen).

Metallisk thorium fremstilles ved reduksjon av oksidet ThO2 med kalsium ved 900–1000 °C, elektrolyse av smelte av natrium- og kaliumklorid tilsatt kaliumthoriumfluorid, KThF5, eller ved reduksjon av thoriumtetrafluorid, ThF4, med kalium i nærvær av sinkklorid. Metodene gir metall i pulver- eller svampform. Dette presses og sintres, smeltes i lysbue- eller induksjonsovn eller ved elektronstrålesmelting. Særlig rent thorium fremstilles ved termisk spalting av thoriumtetrajodid, ThI4, på glødende thoriumtråd (van Arkel-de Boer-metoden).

Bruk

Kjernekraft

Figur 11. Produksjon av fissilt 233-U fra termisk nøytroninnfangning i 232-Th med påfølgende to beta-desintegrasjoner.
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Ved innfangning av et nøytron omdannes 232Th til 233Th. Denne desintegrerer med β-stråling til 233Pa, som desintegrerer videre til 233U. Denne prosessen kan foregå i en kjernereaktor med nøytroner fra 235U og 239Pu, og blir brukt til å lage 233U som er fissilt materiale. Kjernereaksjon med påfølgende utsendelse av to β--partikler er (Figur 6):

232Th + nth233Th + γ →(β--desintegrasjon) 233Pa →(β--desintegrasjon) 233U

Slike reaktorer kalles breeder- eller formeringsreaktorer. I tilfelle med reaksjonen ovenfor kalles denne prosessen termisk breeding. Fordi thoriummengden i jordskorpen er tre til fire ganger større enn uranmengden, er thoriumforekomster en viktig potensiell kilde for kjerneenergi.

Annen sivil teknisk bruk

I tillegg til bruk av thorium i fremstilling av fissilt uran 233U, har thorium mindre anvendelser, blant annet som getter i høyvakuumteknikk, elektrodemateriale i kvikksølvdamplamper, i fotoelektriske celler, røntgenrør, sveiseelektroder, katalysator og annet. Magnesium tilsatt cirka 3 prosent thorium blir brukt i fly og romfartsteknikk og i kjernereaktorer. En viktig anvendelse av thorium(IV)oksid er i auerbrennere. Oksidet brukes dessuten i form av små dispergerte partikler i nikkel og høytemperaturlegeringer (for eksempel såkalt thoria-dispergert nikkel).

Thorium ble tidligere brukt som kontrastmiddel ved røntgenundersøkelser av blodårer.

Thorium ble i 2019 kåret til Norges nasjonalgrunnstoff.

Fysiologisk virkning

Fordi thorium (og nuklidene i thoriumserien) er radioaktive, må nødvendige sikkerhetsregler følges ved all handtering. Størst fare oppstår hvis det kommer stoff inn i kroppen, hvor de thoriumlignende nuklidene fra i desintegrasjonskjeden av thorium anrikes i lever, nyrer, milt og benmarg, mens de radiumlignende nuklidene anrikes i knoklene.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg