Den 6. august 1945 faldt en 3 meter lang bombe ned fra himlen over den japanske by Hiroshima. Mindre end et minut senere blev alt inden for en kilometer fra bombens detonation udslettet. En massiv ildstorm ødelagde hurtigt flere kilometer og dræbte titusinder af mennesker.

Dette var den første brug af en atombombe i krigsførelse nogensinde, og den brugte et berømt grundstof til at skabe ødelæggelse: uran. Dette radioaktive metal er unikt, fordi en af dets isotoper, uran-235, er den eneste naturligt forekommende isotop, der er i stand til at opretholde en nuklear spaltningsreaktion. (En isotop er en version af et grundstof med et forskelligt antal neutroner i kernen.)

For at forstå uran er det vigtigt at forstå radioaktivitet. Uran er naturligt radioaktivt: Dets kerne er ustabil, så grundstoffet er i en konstant tilstand af henfald, hvor det søger efter en mere stabil placering. Faktisk var uran det grundstof, der gjorde opdagelsen af radioaktivitet mulig. I 1897 efterlod den franske fysiker Henri Becquerel nogle uransalte på en fotografisk plade som led i en undersøgelse af, hvordan lyset påvirkede disse salte. Til hans overraskelse blev pladen tåget, hvilket tydede på en form for emissioner fra uransaltene. Becquerel delte Nobelprisen med Marie og Pierre Curie i 1903 for denne opdagelse.

Bare fakta

I henhold til Jefferson National Linear Accelerator Laboratory er uranets egenskaber:

Uran

Uran (Billedkredit: Andrei Marincas )
  • Atomnummer (antal protoner i kernen): 92
  • Atomsymbol (i det periodiske system af grundstoffer): U
  • Atomvægt (atomets gennemsnitlige masse): 238,02891
  • Tæthed: 18,95 gram pr. kubikcentimeter
  • Phase ved stuetemperatur: Fast stof
  • Smeltepunkt: 2.075 grader Fahrenheit (1.135 grader Celsius)
  • Kogningspunkt: 7.468 F (4.131 C)
  • Antal isotoper (atomer af samme grundstof med et forskelligt antal neutroner): 16, 3 naturligt forekommende
  • De mest almindelige isotoper: 16, 3 naturligt forekommende
  • Mest almindelige isotoper: U-234 (0,0054 procent naturligt forekommende), U-235 (0,7204 procent naturligt forekommende), U-238 (99,2742 procent naturligt forekommende)

Uranets historie

Martin Heinrich Klaproth, en tysk kemiker, opdagede uran i 1789, selv om det havde været kendt siden mindst A.D. 79, da uranoxid ifølge Chemicool blev brugt som farvestof til keramiske glasurer og i glas. Klaproth opdagede grundstoffet i mineralet pitchblende, som dengang blev anset for at være en zink- og jernmalm. Mineralet blev opløst i salpetersyre, hvorefter man tilsatte kali (kaliumsalte) til den tilbageværende gule udfældning. Klaproth konkluderede, at han havde opdaget et nyt grundstof, da reaktionen mellem kali og udfældning ikke fulgte nogen reaktioner af kendte grundstoffer. Hans opdagelse viste sig at være uranoxid og ikke rent uran, som han oprindeligt havde troet.

Ifølge Los Alamos National Laboratory opkaldte Klaproth det nye grundstof efter den nyligt opdagede planet Uranus, som var opkaldt efter den græske himmelgud. Eugène-Melchior Péligot, en fransk kemiker, isolerede rent uran i 1841 ved at opvarme urantetrachlorid med kalium.

Uran blev fundet radioaktivt i 1896 af Antoine H. Becquerel, en fransk fysiker. Becquerel havde efterladt en prøve af uran oven på en ubelyst fotografisk plade, som blev uklar. Han konkluderede, at den afgav usynlige stråler, ifølge Royal Society of Chemistry. Dette var det første tilfælde, hvor radioaktivitet var blevet undersøgt, og det åbnede et nyt videnskabsområde. Marie Curie, en polsk videnskabsmand, opfandt udtrykket radioaktivitet kort efter Becquerels opdagelse, og sammen med Pierre Curie, en fransk videnskabsmand, fortsatte hun forskningen for at opdage andre radioaktive grundstoffer, såsom polonium og radium, og deres egenskaber.

Magt og krig

Universets uran blev dannet for 6,6 milliarder år siden i supernovaer, ifølge World Nuclear Association. Det findes overalt på planeten og udgør ca. 2 til 4 dele pr. million i de fleste bjergarter. Det er 48. blandt de hyppigst forekommende grundstoffer, der findes i naturlige bjergarter i jordskorpen, ifølge det amerikanske energiministerium, og det er 40 gange hyppigere end sølv.

Og selv om uran er stærkt forbundet med radioaktivitet, er dets henfaldshastighed så lav, at dette grundstof faktisk ikke er et af de mere radioaktive grundstoffer derude. Uran-238 har en halveringstid på utrolige 4,5 milliarder år. Uran-235 har en halveringstid på lidt over 700 millioner år. Uran-234 har den korteste halveringstid af dem alle på 245.500 år, men det forekommer kun indirekte fra henfaldet af U-238.

Til sammenligning er det mest radioaktive grundstof polonium. Det har en halveringstid på blot 138 dage.

Selvfølgelig har uran stadig et eksplosivt potentiale takket være dets evne til at opretholde en nuklear kædereaktion. U-235 er “fissilt”, hvilket betyder, at dets kerne kan spaltes af termiske neutroner – neutroner med samme energi som deres omgivende omgivelser. Sådan fungerer det ifølge World Nuclear Association: Kernen i et U-235-atom har 143 neutroner. Når en fri neutron støder ind i atomet, splitter den kernen og kaster yderligere neutroner af sig, som så kan zappe ind i kerner af nærliggende U-235-atomer og skabe en selvbærende kaskade af atomspaltninger. Spaltningsbegivenhederne genererer hver især varme. I en atomreaktor bruges denne varme til at koge vand, hvorved der dannes damp, der drejer en turbine for at generere strøm, og reaktionen styres af materialer som cadmium eller bor, der kan absorbere ekstra neutroner for at tage dem ud af reaktionskæden.

I en fissionsbombe som den, der ødelagde Hiroshima, går reaktionen overkritisk. Det betyder, at fissionen sker med en stadig stigende hastighed. Disse superkritiske reaktioner frigør enorme mængder energi: Eksplosionen, der ødelagde Hiroshima, havde en kraft svarende til ca. 15 kilotons TNT, som alle blev skabt med mindre end et kilo (2,2 pund) uran, der blev fissioneret.

For at gøre urans spaltning mere effektiv beriger atomingeniører det. Naturligt uran indeholder kun omkring 0,7 procent U-235, den fissile isotop. Resten er U-238. For at øge andelen af U-235 skal ingeniører enten forgasning af uran for at adskille isotoperne eller bruge centrifuger. Ifølge World Nuclear Association består det meste berigede uran til kernekraftværker af mellem 3 og 5 procent U-235.

I den anden ende af skalaen er forarmet uran, som bruges til panserværn og til at fremstille kugler. Forarmet uran er det, der er tilbage, efter at beriget uran er brugt på et kraftværk. Det er ca. 40 procent mindre radioaktivt end naturligt uran, ifølge det amerikanske veteranministerium. Dette forarmet uran er kun farligt, hvis det indåndes, indtages eller kommer ind i kroppen ved et skud eller en eksplosion.

Hvem vidste det?

  • Kun 1,38 procent af uranen i “Little Boy”-bomben, der ødelagde Hiroshima, gennemgik fission, ifølge Atomic Heritage Foundation. Bomben indeholdt i alt omkring 140 pund (64 kg) uran.
  • Den “Little Boy”-bombe detonerede 509 meter over Hiroshima og efterlod kun rammerne af nogle få armerede betonbygninger stående i en radius af en kilometer omkring Ground Zero, ifølge en rapport fra 1980 fra Defense Nuclear Agency. Brandstorme ødelagde alt inden for en radius af 4,4 mil (7 kilometer) fra eksplosionen.
  • Den halve levetid for uran-238 er 4,5 milliarder år. Det henfalder til radium-226, som igen henfalder til radon-222. Radon-222 bliver til polonium-210, som til sidst henfalder til et stabilt nuklid, bly.
  • Marie Curie, som arbejdede med uran for at opdage flere endnu mere radioaktive grundstoffer (polonium og radium), bukkede sandsynligvis under for den strålingseksponering, der var forbundet med hendes arbejde. Hun døde i 1934 af aplastisk anæmi, en mangel på røde blodlegemer, der sandsynligvis skyldtes strålingsskader på hendes knoglemarv.
  • Rent uran er et sølvfarvet metal, der hurtigt oxideres i luft.
  • Uran bruges nogle gange til at farve glas, som lyser grønligt-gult under sort lys – men ikke på grund af radioaktivitet (glasset er kun en lille smule radioaktivt). Ifølge Collectors Weekly skyldes fluoresceringen, at UV-lyset ophidser uranylforbindelsen i glasset, hvilket får den til at afgive fotoner, når den sætter sig igen.
  • Yellowcake er fast uranoxid. Det er den form, som uran almindeligvis sælges i, før det bliver beriget.
  • Uran udvindes i 20 lande, hvoraf over halvdelen kommer fra Canada, Kasakhstan, Australien, Niger, Rusland og Namibia, ifølge World Nuclear Association.
  • I henhold til Lenntech er alle mennesker og dyr naturligt udsat for små mængder uran fra mad, vand, jord og luft. For det meste kan den almindelige befolkning roligt ignorere de mængder, der indtages, undtagen hvis de bor i nærheden af farlige affaldsdepoter, miner, eller hvis afgrøder dyrkes i forurenet jord eller vandes med forurenet vand.

Aktuel forskning

I betragtning af dets betydning i nukleart brændsel er forskerne meget interesserede i, hvordan uran fungerer – især under en nedsmeltning. Nedsmeltninger opstår, når kølesystemerne omkring en reaktor svigter, og den varme, der opstår ved spaltningsreaktionerne i reaktorkernen, smelter brændslet. Dette skete under atomkatastrofen på atomkraftværket i Tjernobyl, hvilket resulterede i en radioaktiv klat, der blev kaldt “elefantfoden”.”

Forståelse af, hvordan nukleare brændstoffer fungerer, når de smelter, er afgørende for atomingeniører, der bygger indeslutningsbeholdere, siger John Parise, kemiker og mineralog ved Stony Brook University og Brookhaven National Laboratory.

I november 2014 offentliggjorde Parise og kolleger fra Argonne National Lab og andre institutioner en artikel i tidsskriftet Science, der for første gang belyste det indre af smeltet urandioxid, en vigtig bestanddel af nukleart brændsel, for første gang. Uraniumdioxid smelter ikke, før temperaturen overstiger 5.432 F (3.000 C), så det er svært at måle, hvad der sker, når materialet bliver flydende, fortalte Parise til Live Science – der er bare ingen beholder, der er hård nok.

“Løsningen på det er, at vi opvarmer en kugle af urandioxid fra toppen med en kuldioxidlaser, og denne kugle svæver på en gasstrøm,” sagde Parise. “Du har denne kugle af materiale, der svæver på gasstrømmen, så du har ikke brug for en beholder.”

Forskerne stråler derefter røntgenstråler gennem urandioxidboblen og måler spredningen af disse røntgenstråler med en detektor. Spredningsvinklen afslører strukturen af atomerne inde i urandioxiden.

Forskerne fandt ud af, at i fast urandioxid er atomerne arrangeret som en række terninger, der veksler med tomrum i et gitterlignende mønster, med otte oxygenatomer omkring hvert uranatom. Når materialet nærmer sig sit smeltepunkt, bliver oxygenatomer “vanvittige”, sagde forsker Lawrie Skinner fra Argonne National Laboratory i en video om resultaterne. Oxygenatomerne begynder at bevæge sig rundt, fylder tomrum og hopper fra det ene uranatom til det andet.

Til sidst, når materialet smelter, ligner strukturen et Salvador Dali-maleri, da terningerne bliver til uordnede polyedre. På dette tidspunkt, sagde Parise, falder antallet af oxygenatomer omkring hvert uranatom – kendt som koordineringstallet – fra otte til omkring syv (nogle uranatomer har seks oxygenatomer omkring sig, og andre har syv, hvilket giver et gennemsnit på 6,7 oxygenatomer pr. uran).

Kendskab til dette tal gør det muligt at modellere, hvordan urandioxid vil opføre sig ved disse høje temperaturer, sagde Parise. Det næste skridt er at tilføje mere kompleksitet. Nukleare kerner er ikke bare urandioxid, sagde han. De omfatter også materialer som zirconium og det, der bruges til at afskærme reaktorens indre. Forskergruppen planlægger nu at tilføje disse materialer for at se, hvordan materialets reaktion ændres.

“Man er nødt til at vide, hvordan den rene urandioxidvæske opfører sig, så når man begynder at se på virkningerne af små tilsætningsstoffer, kan man se, hvad forskellene er.” Parise sagde.

Det store flertal af uran bruges til energi, normalt i kontrollerede atomreaktioner. Det resterende affald, forarmet uran, kan genanvendes til at udnytte andre former for energi, f.eks. solens kraft. Et patent fra 2017 af Igor Usov og Milan Sykora, forskere ved Los Alamos National Laboratory, omhandler brugen af udarmet uran fra atomreaktioner til at skabe solceller. Forfatterne skrev, at udarmet uranoxid var rigeligt og billigt som rester fra processen til berigelse af nukleart brændsel og kunne optimeres til brug som solceller ved at kontrollere tykkelsen, forholdet mellem uran og ilt, krystalliniteten og doteringen.

Uraniumdioxid er en fremragende halvleder, ifølge en artikel fra 2000 af Thomas Meek ved Oak Ridge National Laboratory, og kunne potentielt være en forbedring til visse anvendelser i forhold til de traditionelle anvendelser af silicium, germanium eller galliumarsenid. Ved stuetemperatur vil uranoxid give den højest mulige solcelleeffektivitet sammenlignet med de traditionelle grundstoffer og forbindelser til samme anvendelse.

Tilbagevendende reportage af Rachel Ross, Live Science Contributor