uran

Naturlig uran består av tre isotoper: ²³⁴U (0,0055 prosent), ²³⁵U (0,720 prosent) og ²³⁸U (99,2745 prosent). De tre isotopene desintegrerer ved α-stråling med halveringstider på 4,468·10⁹ år (²³⁸U), 7,04·10⁸ år (²³⁵U) og 2,455·10⁵ år (²³⁴U). Halveringstiden for ²³⁸U tilsvarer om lag Jordens alder.

I tillegg til de tre naturlig forekommende isotopene har det blitt laget og identifisert 23 isotoper med massetall 217–233, 236, 237 og 239–242. Den viktigste av disse er ²³³U med halveringstid på 1,592·10⁵ år. Den syntetiske isotopen men lengst halveringstid, 2,342·10⁷ år, er ²³⁶U.

Uran antas å utgjøre 2,4·10⁻⁴ vektprosent av jordskorpen. Det finnes utbredt i små mengder i mange bergarter og sedimenter. Det viktigste uranmineralet er uraninitt (bekblende) med sammensetning mellom UO₂ og U₃O₈. Andre uranmineraler er carnotitt, K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·nH₂O (n = 1, 2, 3), silikatet coffinitt, U(SiO₄)_1–x(OH)_4x, fosfatene autunitt, Ca(UO₂)₂(PO₄)₂·nH₂O (n = 10–12), og torbernitt, Cu(UO₂)₂(PO₄)₂·nH₂O (n = 10–12).

I alt kjenner man til over 250 forskjellige uranmineraler, men mindre enn ti av disse er av økonomisk betydning. Visse skifere, gull- og fosfatforekomster inneholder også små mengder (opp til én vektprosent) uran. Uranholdig skifer med opp til 200 gram per tonn finnes blant annet i Sverige og Norge. De mektigste beholdningene av uranmineraler er i USA, Canada, Australia, Sør-Afrika, Namibia og Sverige. Havvann inneholder i gjennomsnitt 1,3 milligram uran per tonn. I levende organismer varierer uraninnholdet fra 10⁻⁴ til 10⁻⁹ vektprosent.

Uran, som er det tyngste grunnstoffet i terrestrisk materiale, forekommer hyppigere enn mange lettere grunnstoffer som kvikksølv, antimon, sølv og kadmium, og i samme grad som molybden og arsen. Man er ikke helt sikker på årsaken til dette, men det har blitt antydet at en opprinnelig skapelse («primordial creation») i form av big bang, eventuelt en supernovaeksplosjon, har fremstilt transuraner og/eller supertunge grunnstoffer. Disse har korte levetider og vil derfor ha desintegrert ned til uran.

Uran er et reaktivt, elektropositivt, uedelt metall, som er pyrofort i finfordelt tilstand. I luft ved romtemperatur korroderer det under dannelse av et matt, grått oksidlag, og i vann reagerer det med hydrogenutvikling, som vist i følgende reaksjonsligning:

U + H₂O = UO₂ + 2H₂

I saltsyre reagerer det også med hydrogenutvikling, mens reaksjonen er passivert i konsentrert salpetersyre. Uran angripes i meget liten grad av baser (for eksempel NaOH), men reagerer lett med ikke-metallene og danner et stort antall intermetalliske faser.

I kjemiske forbindelser har uran oksidasjonstall III, IV, V og VI. Av disse er IV og VI de mest stabile under vanlige forhold. VI virker svakt oksiderende og III sterkt reduserende. I vandig løsning eksisterer kationene U³⁺ (rødt), U⁴⁺ (grønt), UO₂⁺ (svakt lilla) og UO₂²⁺, uranylionet (gult). I fast fase eksisterer uran i oksidasjonstall VI i anioner som UO₄³⁻ (uranationet), U₂O₇²⁻ (diuranationet), dessuten i blant annet fluoridet UF₆ og kloridet UCl₆. Uranylionet UO₂²⁺ har en sterk tendens til å danne løselige komplekser av anioner som karbonat-, sulfat-, halogenid- eller oksalationer.

Uran blir fremstilt ved at de uranførende malmene blir anriket, knust og malt og behandlet med syre (svovelsyre), eventuelt base (natriumkarbonatløsning). Uran går da i løsning og skilles fra ved væskeekstraksjon med alkylfosforsyrer eller aminer. Uran felles deretter ved hjelp av base (NaOH eller NH₃). Konsentratet blir så løst i salpetersyre, og det dannede uranylnitratet, UO₂(NO₃)₂·6H₂O, ekstraheres fra løsningen med organiske løsemidler, for eksempel tributylfosfat. Uranylnitratet ekstraheres tilbake med vann, inndampes og omdannes til oksid (UO₂ eller U₃O₈) ved gløding. Oksidet reduseres til støkiometrisk UO₂ ved reduksjon med hydrogen eller ammoniakk. Dette oksidet omdannes til uran(IV)fluorid med hydrogenfluorid:

UO₂ + 4HF = UF₄ + 2H₂O

Metallisk uran fås så ved reduksjon med kalsium eller magnesium. Alternativt kan elektrolyse av uranholdige smelter av alkali- eller jordalkaliklorider benyttes. Høyrent uran kan fremstilles ved termisk spaltning av uranhydrid, UH₃, eller av uran(IV)jodid, UI₄, ved van Arkel–de Boer-metoden.

Den eneste viktige anvendelsen av uran er i kjernereaktorer. Tidligere hadde opparbeidelsen av uran hovedsakelig interesse for fremstilling av radium. Dette dannes som ledd i de radioaktive seriene og er derfor til stede i uranmineraler. Uranforbindelser har i noen grad blitt brukt til å farge glass, keramiske produkter, lær, tre, tekstiler med mer.

I brensel for kjernereaktorer er uran anriket med ²³⁵U til 2–3 prosent og i kjernevåpen opp til 60 prosent. Få detaljer om isotopseparasjon og anrikning av ²³⁵UF₆ finnes i allment tilgjengelig litteratur. Den viktigste prosessen er basert på gassfasediffusjon gjennom porøse materialer der UF₆ er den flyktige bestanddelen. ²³⁵UF₆ vil diffundere raskere enn den noe tyngre ²³⁸UF₆. Andre metoder som brukes er gassentrifugemetoden og dysemetoden. Ved den førstnevnte anrikes tyngre isotoper i periferien, ved sistnevnte skilles isotopene på grunn av den høyere diffusjonshastigheten til ²³⁵UF₆. I Oak Ridge, USA, var gassdiffusjon det første trinnet i anrikningen under andre verdenskrig hvor målet var atombombemateriale. I neste trinn ble anriket UCl₄ benyttet ved elektromagnetisk separasjon i en calutron – California University-tron.

Uran som brukes i kjernereaktorer må være meget rent. Det kan ikke inneholde mer enn 10⁻⁵ prosent kadmium, gadolinium eller bor, fordi disse grunnstoffene virker som «nøytrongifter», det vil si at de på grunn av høyt innfangningstverrsnitt for nøytroner vil absorbere nøytroner som er nødvendige for å opprettholde fisjonsprosessen. Som brensel brukes uran i form av oksidet UO₂, i metallform eller i legeringer.

Uran må behandles med forsiktighet da det er toksisk og i tillegg α-radioaktivt. Imidlertid er de naturlige uranisotopene stabile nok til at uranforbindelser kan håndteres uten ekstreme forsiktighetstiltak. Uran har toksisitet tilsvarende arsen og kvikksølv med nyreskader som viktigste effekt, mens bly er mer giftig og skader nervesystemet.

I naturen vil uran raskt omdannes til tungtløselige forbindelser, noe som reduserer forurensingspotensialet mye. Det finnes ingen kjente biologiske prosesser som omdanner uran til særlig farlige forbindelser. Studier etter arbeidsuhell hvor enkeltpersoner har fått i seg store doser uranforbindelser og blitt akutt syke, har ikke påvist varige skader av uranforgiftning. Ved inntak vil bare en svært liten del forbli i kroppen. Der fester det seg til skjelettet, men α-strålingen når ikke beinmargen. For beslektede grunnstoffer, se actinoider og transuraner.

Uran ble oppdaget i form av uran(IV)oksid, UO₂, i mineralet uraninitt i 1789 av Martin Heinrich Klaproth. Han oppkalte det etter planeten Uranus som var blitt oppdaget i 1781. På lignende måte som Uranus ble antatt å være lengst fra Jorden, var uran det grunnstoffet med størst relativ atommasse som den gang var kjent, og således var lengst fra hydrogen. Uran som metall ble først fremstilt i 1841 av Eugène-Melchior Péligot ved å redusere uran(IV)klorid med kalium. Urans radioaktivitet ble oppdaget i 1896 av Antoine Henri Becquerel.

Den første selvvirkende kjernereaktoren ble bygd under tribunene til fotballstadionen ved University of Chicago av Enrico Fermi og medarbeidere og startet opp 2. desember 1942. Den første kjernefysiske prøvesprengingen fant sted i nærheten av Los Alamos i New Mexico 16. juli 1945, og bare tre uker senere, 6. august, ble en slik bombe av ²³⁵U sluppet over Hiroshima, Japan. Den neste, over Nagasaki, var en ²³⁹Pu-bombe.

Uran med mindre enn 0,2 prosent ²³⁵U blir brukt til treghetsstyring i raketter, i gyrokompass og som ballast i rakettfartøy. Det brukes som skjermingsmateriale mot radioaktiv stråling og som antikatode for energirik stråling i røntgenrør.

• utarmet uran
• radioaktivitet
• atomvåpen
• fisjon
• actinoider
• grunnstoff
• periodesystemet