uran

Uran er et metallisk, radioaktivt grunnstoff i actinoide-rekken i grunnstoffenes periodesystem. Uranmetall er sølvhvitt, det er duktilt og det kan trekkes til tråder eller valses til folier. Uran eksisterer i tre krystallinske modifikasjoner: ortorombisk α-uran opp til 668 °C, tetragonalt β-uran ved 668–775 °C og kubisk romsentrert γ-uran over 775 °C.

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 er det laget og identifisert 23 isotoper med nukleontall (massetall = A) 217–233, 236, 237 og 239–242. Viktigst er ²³³U med halveringstid på 1,592·10⁵ år. Lengst halveringstid av disse har ²³⁶U med 2,342·10⁷ år.

De tre naturlige uranisotopene desintegrerer ved α-stråling til thoriumisotoper. Disse er også radioaktive og desintegrerer videre gjennom flere ledd som ender i isotoper av stabilt bly. Serien som begynner med ²³⁸U, ender i ²⁰⁶Pb. Den kalles uran- eller 4n+2-serien fordi alle nuklidene 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 actinium- eller 4n+3-serien, se radioaktivitet (radioaktive serier).

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. Massen av fisjonsfragmentene er noe mindre enn uranets, og denne masseforskjellen omdannes til energi (E = mc²). Ved fisjon frigjøres derved store mengder energi, og dette danner grunnlaget for utnyttelse av atom- eller kjerneenergien.

Eksperimenter viste at det bare var ²³⁵U som fisjonerte. For å kunne anvende atomenergien (og atombomber) var 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 i USA i 1939–1945 (Manhattan-prosjektet).

Senere fant man at også ²³⁸U lot seg utnytte i fisjonsprosessen ved nøytroninnfangning og dannelse av ²³⁹U som β-desintegrerer til ²³⁹Np og videre til ²³⁹Pu, som er fissilt materiale.

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

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

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

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 = 1–3), 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 en 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 g 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 middel 1,3 mg 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 (kvikksølv, antimon, sølv, kadmium) og i samme grad som molybden og arsen. Dette forholdet er ikke riktig forstått, men det er 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 ha desintegrert ned til uran.

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, 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.

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: 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 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 sterk tendens til å danne løselige komplekser av anioner som karbonat-, sulfat-, halogenid- eller oksalationer.

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 og 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 siste verdenskrig hvor målet var atombombemateriale. I neste trinn ble anriket UCl₄ benyttet ved elektromagnetisk separasjon i en calutron, Cal(ifornia)u(niversity)-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 såvidt stabile at slike uranforbindelser kan håndteres uten ekstreme forsiktighetstiltak. Uran har toksisitet tilsvarende arsen og kvikksølv med nyreskader som viktigste effekt, mens bly er mere 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 benmargen. 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 prøveeksplosjonen 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 ≤ 0,2 % 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.

Uran

• Utarmet uran