Feiten over uranium

Op 6 augustus 1945 viel een bom van 3 meter lang uit de lucht boven de Japanse stad Hiroshima. Minder dan een minuut later werd alles binnen een straal van 1,5 kilometer van de ontploffing van de bom weggevaagd. Een enorme vuurstorm vernietigde snel nog veel meer, waarbij tienduizenden mensen omkwamen.

Dit was het allereerste gebruik van een atoombom in de oorlogsvoering, en het gebruikte één beroemd element om zijn verwoesting aan te richten: uranium. Dit radioactieve metaal is uniek omdat één van zijn isotopen, uranium-235, de enige in de natuur voorkomende isotoop is die in staat is een kernsplijtingsreactie te onderhouden. (Een isotoop is een versie van het element met een verschillend aantal neutronen in zijn kern.)

Om uranium te begrijpen, is het belangrijk om radioactiviteit te begrijpen. Uranium is van nature radioactief: De kern is instabiel, dus het element is in een constante staat van verval, op zoek naar een stabielere opstelling. In feite was uranium het element dat de ontdekking van radioactiviteit mogelijk maakte. In 1897 liet de Franse natuurkundige Henri Becquerel wat uraniumzouten achter op een fotografische plaat als onderdeel van een onderzoek naar de invloed van licht op deze zouten. Tot zijn verbazing besloeg de plaat, wat duidde op een soort emissie van de uraniumzouten. Becquerel deelde de Nobelprijs met Marie en Pierre Curie in 1903 voor deze ontdekking.

Even de feiten

Volgens het Jefferson National Linear Accelerator Laboratory zijn de eigenschappen van uranium:

• Atoomnummer (aantal protonen in de kern): 92
• Atoomsymbool (in het Periodiek Systeem der Elementen): U
• Atomair gewicht (gemiddelde massa van het atoom): 238,02891
• Dichtheid: 18,95 gram per kubieke centimeter
• Fase bij kamertemperatuur: Vast
• Smeltpunt: 2.075 graden Fahrenheit (1.135 graden Celsius)
• Kookpunt: 7.468 F (4.131 C)
• Aantal isotopen (atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen): 16, 3 natuurlijk voorkomend
• Meest voorkomende isotopen: U-234 (0,0054 procent natuurlijke abundantie), U-235 (0,7204 procent natuurlijke abundantie), U-238 (99,2742 procent natuurlijke abundantie)

Geschiedenis van uranium

Martin Heinrich Klaproth, een Duitse scheikundige, ontdekte uranium in 1789, hoewel het al bekend was sinds ten minste A.D. 79, toen uraniumoxide werd gebruikt als kleurstof voor keramisch glazuur en in glas, volgens Chemicool. Klaproth ontdekte het element in het mineraal pekblende, waarvan men destijds dacht dat het een zink- en ijzererts was. Het mineraal werd opgelost in salpeterzuur, en vervolgens werd potas (kaliumzouten) toegevoegd aan het resterende gele neerslag. Klaproth concludeerde dat hij een nieuw element had ontdekt toen de reactie tussen de potas en het neerslag geen reacties van bekende elementen volgde. Zijn ontdekking bleek uraniumoxide te zijn en geen zuiver uranium zoals hij aanvankelijk had gedacht.

Volgens het Los Alamos National Laboratory noemde Klaproth het nieuwe element naar de onlangs ontdekte planeet Uranus, die was vernoemd naar de Griekse god van de hemel. Eugène-Melchior Péligot, een Franse scheikundige, isoleerde zuiver uranium in 1841 door uraniumtetrachloride te verhitten met kalium.

Uranium werd radioactief bevonden in 1896 door Antoine H. Becquerel, een Franse natuurkundige. Becquerel had een monster uranium op een onbelichte fotografische plaat laten liggen, die troebel werd. Hij concludeerde dat het onzichtbare stralen afgaf, aldus de Royal Society of Chemistry. Dit was de eerste keer dat radioactiviteit werd bestudeerd en opende een nieuw gebied van wetenschap. Marie Curie, een Poolse wetenschapper, bedacht de term radioactiviteit kort na Becquerels ontdekking, en zette samen met Pierre Curie, een Franse wetenschapper, het onderzoek voort om andere radioactieve elementen, zoals polonium en radium, en hun eigenschappen te ontdekken.

Macht en oorlog

Het uranium in het heelal is 6,6 miljard jaar geleden gevormd in supernovae, volgens de World Nuclear Association. Het is overal op aarde te vinden, en maakt ongeveer 2 tot 4 delen per miljoen uit van de meeste gesteenten. Het staat op de 48e plaats van de meest voorkomende elementen in natuurlijk gesteente, volgens het Amerikaanse Ministerie van Energie, en is 40 keer overvloediger dan zilver.

Hoewel uranium sterk geassocieerd wordt met radioactiviteit, is de snelheid van verval zo laag dat dit element eigenlijk niet tot de meer radioactieve behoort die er zijn. Uranium-238 heeft een halveringstijd van een ongelooflijke 4,5 miljard jaar. Uranium-235 heeft een halfwaardetijd van iets meer dan 700 miljoen jaar. Uranium-234 heeft met 245.500 jaar de kortste halfwaardetijd van allemaal, maar het ontstaat alleen indirect uit het verval van U-238.

Ter vergelijking: het meest radioactieve element is polonium. Het heeft een halveringstijd van slechts 138 dagen.

Toch heeft uranium een explosief potentieel, dankzij zijn vermogen om een nucleaire kettingreactie in stand te houden. U-235 is “splijtbaar”, wat betekent dat zijn kern kan worden gesplitst door thermische neutronen – neutronen met dezelfde energie als hun omgeving. Dit is hoe het werkt, volgens de World Nuclear Association: De kern van een U-235 atoom heeft 143 neutronen. Wanneer een vrij neutron op het atoom stoot, splijt het de kern en werpt extra neutronen af, die vervolgens in de kernen van naburige U-235 atomen kunnen zappen, waardoor een zichzelf onderhoudende cascade van kernsplijting ontstaat. De splijtingsgebeurtenissen genereren elk warmte. In een kernreactor wordt deze warmte gebruikt om water te koken, waardoor stoom ontstaat die een turbine laat draaien om stroom op te wekken, en de reactie wordt gecontroleerd door materialen zoals cadmium of boor, die extra neutronen kunnen absorberen om ze uit de reactieketen te halen.

In een splijtingsbom zoals die welke Hiroshima verwoestte, gaat de reactie superkritisch. Dit betekent dat de splijting in een steeds hoger tempo plaatsvindt. Bij deze superkritische reacties komen enorme hoeveelheden energie vrij: De explosie die Hiroshima verwoestte, had de kracht van naar schatting 15 kiloton TNT, allemaal gemaakt met minder dan een kilo uranium dat aan splijting onderhevig is.

Om uranium efficiënter te laten splijten, verrijken nucleaire ingenieurs het. Natuurlijk uranium bevat slechts ongeveer 0,7 procent U-235, de splijtbare isotoop. De rest is U-238. Om het percentage U-235 te verhogen, vergassen ingenieurs het uranium om de isotopen te scheiden of gebruiken zij centrifuges. Volgens de World Nuclear Association bestaat het meeste verrijkte uranium voor kerncentrales uit 3 tot 5 procent U-235.

Aan de andere kant van de schaal bevindt zich verarmd uranium, dat wordt gebruikt voor tankbepantsering en om kogels te maken. Verarmd uranium is wat overblijft nadat verrijkt uranium is opgebruikt in een energiecentrale. Het is ongeveer 40 procent minder radioactief dan natuurlijk uranium, volgens het Amerikaanse Ministerie van Veteranen Zaken. Dit verarmde uranium is alleen gevaarlijk als het wordt ingeademd, ingeslikt of in het lichaam terechtkomt bij een schietpartij of explosie.

Wie wist dat?

• Slechts 1,38 procent van het uranium in de “Little Boy” bom die Hiroshima verwoestte, onderging splijting, volgens de Atomic Heritage Foundation. De bom bevatte in totaal ongeveer 64 kg uranium.
• De “Little Boy” bom ontplofte op 509 meter hoogte boven Hiroshima en liet alleen het geraamte van een paar gebouwen van gewapend beton staan in een straal van 1,5 km rond Ground Zero, volgens een rapport van het Defense Nuclear Agency uit 1980. Vuurstormen vernietigden alles binnen een straal van 7 kilometer van de explosie.
• De halveringstijd van uranium-238 is 4,5 miljard jaar. Het vervalt in radium-226, dat op zijn beurt vervalt in radon-222. Radon-222 wordt polonium-210, dat tenslotte vervalt in een stabiele nuclide, lood.
• Marie Curie, die met uranium werkte om nog meer radioactieve elementen te ontdekken (polonium en radium), is waarschijnlijk bezweken aan de stralingsbelasting die haar werk met zich meebracht. Zij stierf in 1934 aan aplastische anemie, een tekort aan rode bloedcellen dat waarschijnlijk werd veroorzaakt door stralingsschade aan haar beenmerg.
• Puur uranium is een zilverkleurig metaal dat snel oxideert in de lucht.
• Uranium wordt soms gebruikt om glas te kleuren, dat onder blacklight groengeel oplicht – maar niet vanwege de radioactiviteit (het glas is maar een heel klein beetje radioactief). Volgens Collectors Weekly is de fluorescentie het gevolg van de opwinding van de uranylverbinding in het glas door het UV-licht, waardoor het fotonen afgeeft als het weer neerslaat.
• Yellowcake is vast uraniumoxide. Dit is de vorm waarin uranium gewoonlijk wordt verkocht voordat het wordt verrijkt.
• Uranium wordt in 20 landen gedolven, waarbij meer dan de helft afkomstig is uit Canada, Kazachstan, Australië, Niger, Rusland en Namibië, volgens de World Nuclear Association.
• Volgens Lenntech worden alle mensen en dieren van nature blootgesteld aan minieme hoeveelheden uranium via voedsel, water, bodem en lucht. Voor het grootste deel kan de algemene bevolking de hoeveelheden die worden ingenomen veilig negeren, behalve als ze in de buurt wonen van gevaarlijke afval sites, mijnen, of als gewassen worden geteeld in verontreinigde grond of bewaterd met verontreinigd water.

Huidig onderzoek

Gezien het belang ervan in nucleaire brandstof, zijn onderzoekers zeer geïnteresseerd in hoe uranium functioneert – met name tijdens een meltdown. Een meltdown doet zich voor wanneer de koelsystemen rond een reactor falen en de hitte die wordt opgewekt door de splijtingsreacties in de reactorkern de splijtstof doet smelten. Dit gebeurde tijdens de kernramp in de kerncentrale van Tsjernobyl, wat resulteerde in een radioactieve klodder die “de voet van de olifant” werd genoemd.”

Inzicht in hoe nucleaire brandstoffen zich gedragen wanneer ze smelten, is van cruciaal belang voor nucleaire ingenieurs die insluitingsvaten bouwen, zei John Parise, een chemicus en mineraloog aan de Stony Brook University en het Brookhaven National Laboratory.

In november 2014 publiceerden Parise en collega’s van Argonne National Lab en andere instellingen een paper in het tijdschrift Science dat de innerlijke werking van gesmolten uraniumdioxide, een belangrijk bestanddeel van nucleaire brandstof, voor het eerst ophelderde. Uranium dioxide smelt niet tot temperaturen boven 5.432 F (3.000 C), dus het is moeilijk om te meten wat er gebeurt als het materiaal vloeibaar wordt, vertelde Parise aan Live Science – er is gewoon geen container die sterk genoeg is.

“De oplossing daarvoor is dat we een bal van uranium dioxide van bovenaf verhitten met een kooldioxide laser, en deze bal wordt op een gasstroom losgelaten,” zei Parise. “Je hebt deze bal van materiaal zwevend op de gasstroom, dus je hebt geen container nodig.”

De onderzoekers stralen vervolgens röntgenstralen door de uraniumdioxidebel en meten de verstrooiing van die röntgenstralen met een detector. De verstrooiingshoek onthult de structuur van de atomen in het uraniumdioxide.

De onderzoekers ontdekten dat in vast uraniumdioxide de atomen zijn gerangschikt als een reeks kubussen afgewisseld met lege ruimte in een rasterachtig patroon, met acht zuurstofatomen rond elk uraniumatoom. Wanneer het materiaal zijn smeltpunt nadert, worden de zuurstofatomen “gek”, aldus Lawrie Skinner, onderzoeker bij het Argonne National Laboratory, in een video over de resultaten. De zuurstofatomen beginnen rond te bewegen, vullen lege ruimte en hobbelen van het ene uraniumatoom naar het andere.

Ten slotte, wanneer het materiaal smelt, lijkt de structuur op een schilderij van Salvador Dali als de kubussen veranderen in ongeordende veelvlakken. Op dit punt, zei Parise, daalt het aantal zuurstofatomen rond elk uraniumatoom – bekend als het coördinatiegetal – van acht tot ongeveer zeven (sommige uraniumatomen hebben zes zuurstofatomen rond zich, en sommige hebben er zeven, waardoor het gemiddelde 6,7 zuurstofatomen per uranium bedraagt).

De kennis van dit getal maakt het mogelijk om te modelleren hoe uraniumdioxide zich bij deze hoge temperaturen zal gedragen, zei Parise. De volgende stap is om meer complexiteit toe te voegen. Kernkernen bestaan niet alleen uit uraniumdioxide, zei hij. Ze bevatten ook materialen zoals zirkonium en wat er ook wordt gebruikt om de binnenkant van de reactor af te schermen. Het onderzoeksteam is nu van plan deze materialen toe te voegen om te zien hoe de reactie van het materiaal verandert.

“Je moet weten hoe de zuivere uraniumdioxide vloeistof zich gedraagt, zodat wanneer je gaat kijken naar de effecten van kleine toevoegingen, je kunt zien wat de verschillen zijn?” Het overgrote deel van uranium wordt gebruikt voor energie, meestal in gecontroleerde nucleaire reacties. Het overgebleven afval, verarmd uranium, kan worden gerecycled om andere soorten energie te benutten, zoals de kracht van de zon. Een patent uit 2017 van Igor Usov en Milan Sykora, wetenschappers aan het Los Alamos National Laboratory, bespreekt het gebruik van het verarmde uranium uit kernreacties om zonnecellen te maken. De auteurs schreven dat verarmd uraniumoxide overvloedig en goedkoop was als overblijfselen van het verrijkingsproces van kernbrandstof en kon worden geoptimaliseerd voor gebruik als zonnecellen door de dikte, uranium/zuurstofverhouding, kristalliniteit en doping te regelen.

Uraniumdioxide is een uitstekende halfgeleider, volgens een paper uit 2000 van Thomas Meek van het Oak Ridge National Laboratory, en zou voor bepaalde toepassingen mogelijk een verbetering kunnen zijn ten opzichte van de traditionele toepassingen van silicium, germanium of galliumarsenide. Bij kamertemperatuur zou uraniumoxide de hoogst mogelijke zonnecelefficiëntie geven in vergelijking met de traditionele elementen en verbindingen voor hetzelfde gebruik.

Aanvullende rapportage door Rachel Ross, Live Science Contributor