Uraninitt
Uraninitt fra Vegårdshei. Uraninitt er det viktigste uranmineralet.
Uraninitt
Av .
Lisens: Begrenset gjenbruk

Uran er et radioaktivt grunnstoff. Det hører til actinoide-rekken i periodesystemet.

Faktaboks

Uttale
urˈan
Etymologi
etter planeten Uranus
Engelsk navn
uranium

I ren form er uran et sølvhvitt, formbart metall som kan trekkes til tråder eller valses til folier.

Uran brukes som brensel i kjernereaktorer og atomvåpen. Atombomben som ble sluppet over Hiroshima i 1945 var basert på fisjon av uran.

Bruk

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.

Uran som brensel i kjernereaktorer

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.

Annen bruk

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.

Forekomst

Uran er det tyngste grunnstoffet i terrestrisk materiale. Uran antas å utgjøre 0,00024 masseprosent av jordskorpen. Det 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 henfallt til uran.

Mineraler

Uran finnes utbredt i små mengder i mange bergarter og sedimenter. Det viktigste uranmineralet er uraninitt. Andre uranmineraler er carnotitt, silikatet coffinitt, fosfatene autunitt og torbernitt.

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 masseprosent) uran. Uranholdig skifer med opp til 200 gram per tonn finnes blant annet i Sverige og Norge. De største beholdningene av uranmineraler er i USA, Canada, Australia, Sør-Afrika, Namibia og Sverige.

Havvann og levende organismer

Havvann inneholder i gjennomsnitt 1,3 milligram uran per tonn.

I levende organismer varierer uraninnholdet fra 10−4 til 10−9 masseprosent.

I kroppen

Uran er giftig og radioaktivt. Imidlertid er de naturlige uranisotopene stabile nok til at uranforbindelser kan håndteres uten ekstreme forsiktighetstiltak. Uran har en giftighet som tilsvarer 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 alfastrålingen når ikke beinmargen.

Historie

Henri Becquerel oppdaget radioaktiviteten i uran. Foto fra 1896.

.
Lisens: fri

Uran ble oppdaget i form av uran(IV)oksid 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.

Fremstilling

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:

\[\ce{UO2 + 4HF -> UF4 + 2H2O}\]

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.

Kjemiske egenskaper

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. I vann reagerer det med hydrogenutvikling, som vist i følgende reaksjonsligning:

\[\ce{U + H2O -> UO2 + 2H2}\]

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.

Uran finnes i tre krystallinske modifikasjoner:

  • Ortorombisk alfauran opp til 668 °C
  • Tetragonalt betauran ved 668–775 °C
  • Kubisk romsentrert gammauran over 775 °C

Forbindelser

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.

Fisjon

Fisjon
Enkel fremstilling av en fisjon. Et nøytron fanges inn i kjernen til et ²³⁵U-atom. Når nøytronet er absorbert går ²³⁵U over til ²³⁶U, som er ustabilt og som spaltes i to fisjonsprodukter (⁹²KR og ¹⁴¹Ba) og tre frie nøytroner.
Av .
Lisens: public domain

I 1938 oppdaget Otto Hahn og Fritz Strassmann at uran fisjonerer når det bestråles med termiske (kinetisk langsomme) nøytroner. Urankjernen spaltes, og det dannes to nuklider (fisjonsfragmenter) med masse på omtrent halvparten av urans. Her inngår blant annet krypton og barium, strontium og xenon, yttrium og jod, og lantan og brom. Den totale massen av fisjonsfragmentene er noe mindre enn uranets, og denne masseforskjellen omdannes til energi (etter Einsteins energiligning, E = mc2). Ved fisjon frigjøres det derved store mengder energi, og dette danner grunnlaget for utnyttelse av atom- eller kjerneenergien.

Det er bare isotopen 235U som fisjonerer. For å kunne anvende atomenergien (og atombomber) er det derfor nødvendig å utvikle metoder for å anrike 235U eller separere 235U fra 238U. Slike metoder, som i hovedsak gikk ut på termisk diffusjon av UF6-gass og elektromagnetisk separasjon av ioner av UCl4, ble utviklet gjennom Manhattan-prosjektet i USA i 1939–1945.

Også 238U lar seg utnytte i fisjonsprosessen ved nøytroninnfangning og dannelse av 239U som beta-henfaller til 239Np (neptunium) og videre til 239Pu (plutonium), som er fissilt materiale. Prosessen skjer etter reaksjonsligningen:

\[\ce{^238U + ^1n -> ^239U ->[\beta -] ^239Np ->[\beta -] ^239Pu}\]

Også 233U er fissilt. Det fremstilles ved å bestråle naturlig thorium,232Th, med nøytroner i kjernereaktorer:

\[\ce{^232Th + ^1n -> ^233Th ->[\beta -] ^233Pa ->[\beta -] ^233U}\]

Isotoper

Naturlig uran består av tre isotoper:

  • 234U (0,0055 prosent)
  • 235U (0,720 prosent)
  • 238U (99,2745 prosent)

De tre isotopene henfaller ved alfastråling med halveringstider på rundt 4,5 milliarder år (238U), 700 millioner år (235U) og rundt 245 000 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 159 000 år. Den syntetiske isotopen med lengst halveringstid er 236U. Den har halveringstid 23 millioner år.

Radioaktive serier

De tre naturlige uranisotopene henfaller ved alfastråling til thoriumisotoper. Disse er også radioaktive og henfaller videre gjennom flere ledd som ender i isotoper av stabilt bly. Serien som begynner med 238U, ender i 206Pb. Den kalles uran-serien eller (4n+2)-serien fordi alle nukleontallene i serien kan uttrykkes ved formelen 4n+2 hvor n er et helt tall. 234U inngår i denne serien. Serien som begynner med 235U og slutter med blyisotopen 207Pb, kalles uran-actinium-serien eller (4n+3)-serien. Se radioaktivitet (radioaktive serier).

Les mer i Store norske leksikon

Faktaboks

Smeltepunkt
1135 °C
Kokepunkt
4131 °C
Massetetthet
18,950 g/cm³
Oksidasjontall
II, III, IV, V, VI
Elektronkonfigurasjon
[Rn]5f³6d¹7s²

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg